高速公路鋼筋混凝土柱-鋼梁抗彎性能試驗研究

摘要：為了適應混凝土柱-鋼梁發展需求，對高速公路鋼筋混凝土柱-鋼梁抗彎性能試驗進行了研究。以重慶合川至璧山至江津高速公路為研究對象，制作試驗梁，并設計了三種試件相關參數。通過梁抗彎性能試驗獲得了該梁的裂縫、撓度、截面應力和承載力變化規律，并與預制拼接梁、抗彎力學性能進行對比。由試驗結果可知，柱-鋼梁裂縫在荷載加載到極限值時，梁端部只出現掀起現象，并沒有裂縫出現；抗彎承載力最高可達到700kN，且在破壞后階段下降平緩；不同加載下的柱-鋼梁應變曲線很接近，截面滑移動應變不明顯；不同梁跨度下梁承載力數值小于實際值，能夠承載施加的壓力，說明使用該梁抗彎性能較好。

關鍵詞：柱-鋼梁；抗彎性能；撓度；截面應力；承載力

0" "引言

近年來，隨著我國建設工業化、裝配式施工的不斷深入，裝配式鋼筋混凝土組合梁在我國的應用越來越受到廣大工程技術人員的重視。鋼筋混凝土組合梁通過預制構件進行預制裝配，可以有效地提高工程質量，加速工程建設[1]。通過大量理論分析，說明該結構具有結構簡單、力學性能良好的優勢，并被廣泛應用到實際公路建設工程中。

在高速公路工程建設過程中，通常使用的是焊接和螺栓裝配組合梁。通過研究發現當前連接形式主要有兩種，分別是無約束成孔連接和預留波紋管成孔連接。這兩種形式下的梁抗剪承載力是由填孔材料約束的，抗剪連接性能與螺紋接頭抗剪連接性能基本一致。目前，關于鋼筋混凝土接頭的受彎承載力理論研究還很少見，特別是柱-鋼梁間接縫的抗彎承載力分析更少[2]。本文以重慶合川至璧山至江津高速公路為研究對象，制作試驗梁，利用電液伺服加載系統逐級加載梁，通過梁抗彎性能試驗進行了抗彎力學性能分析。

1" "試驗概況

重慶江津、合川璧山高速公路K37+200～K81+415段總長度44.215km，跨越長江至慈云鎮刁家，與江津和武水高速相連。主干路基全長40.152km，路基寬26m，該路段采用兩座高橋墩進行施工。新廠溝特大橋的最高墩高為39.89m，大黃葛樹大橋實心墩48m。高橋墩的建設是一項非常困難的工作，也是一項非常危險的工程，為了防止安全事故，應嚴格按照施工規范及安全操作規程進行施工。

本標段一處橋梁與成渝高鐵立體交叉，在K56+993位置下穿成渝高速鐵路。由于橋墩與高速鐵路橋梁之間的距離很短，使得高速鐵路建設受到很大影響，為了避免工程機械及大物件與高鐵橋墩發生碰撞，在建筑工程中應采取保護措施，避免爆破、震動影響正常試驗。

2" "試驗設計

2.1" " 試驗梁制作

在高速公路上，鋼筋混凝土蓋梁的施工可分為兩類：實心矩形墩蓋梁與柱墩蓋梁[3]。柱式墩蓋梁施工的模板及施工平臺由工字鋼支架支承，實心矩形墩蓋梁采用外委加工定型鋼模，蓋梁模板及施工平臺布置見圖1。

實心墩蓋梁是由兩個工字梁相連而形成的一個平臺，在實心墩基礎上橋墩的混凝土中預留PVC孔洞，使橋墩整體貫通。孔直徑為18cm，距離橋墩邊緣100cm，距離梁底100cm[4]。在拆除模板后，將φ16cm的鋼筋插入到預留的孔洞中。在拆除橋墩模板后，在預留空心柱上安裝工字梁。橋墩外側的縱梁與螺紋鋼結合在一起，如圖2所示。

在梁柱安裝驗收通過后，應嚴格按照施工要求進行蓋梁側模的安裝[5-6]。側模成型的鋼模組裝為整體吊裝，采用φ16cm對拉螺桿，間隔1m×1m。在蓋梁混凝土壓力達到3.0MPa，且不會因為模具拆卸而造成損傷時，可以將蓋梁側面的模板拆卸下來。

拆模板時，可以用錘子在面板上輕輕敲擊，將模板從水泥中剝離出來，再用起重機將吊索卸下。該過程禁止劇烈撞擊和強烈扭動[7]。將模板搬運到指定位置后，立刻拆除模板，方便下次整理和維護模板雜物。當混凝土強度大于要求值80%時，支撐模板和隧道樓梯嚴格按照從上往下的順序拆除。

2.2" " 試驗測試點布置

試驗測試點的布置，如圖3所示。在試驗基礎上，對試驗梁應力進行了分析。同時，在混凝土板與接觸面的連接部位和混凝土板的末端位置進行位移試驗，以實現對鋼梁上部翼緣與混凝土板的滑動檢測[8-9]。另外，在混凝土板端以上設置位移測量點，以測定混凝土板的升降高度。在試驗梁橫向和兩側均設置了位移測量點，用以測定其彎曲變形程度[10]。

2.3" " 試驗加載裝置及加載方式

利用某高校結構研究室的三路電動液壓伺服加載裝置，對該梁進行載荷試驗。試驗裝置結構如圖4所示。

該加載系統是由兩個豎向驅動機構與剛性反力梁相連，在其跨中加一個單點荷載，并利用橫向作動器來保持該結構的穩定[11]。測試梁的兩端均置于基礎平臺的圓鋼上，并用螺栓將其與鋼板連接，構成試驗梁的鉸鏈支撐。4只長螺釘安裝在支架底部，以確保其穩定[12]。

加載方法是逐步加載，采用40kN分段裝填形式，總共5個階段。在完成預裝后，對測量設備進行清零，按40kN次序依次裝入，每一步的裝入時間為2 min。在負載280kN情況下，每個階段的負載應該減小到20kN。在達到裂紋負荷后，每一級的負荷應該被調整到40kN。在達到極限負荷后，將對試樣進行變形控制，直到其破壞為止[13]。

加載過程中進行裂縫觀測、撓度測試、截面應力測試、承載力測試。在荷載作用下，記錄裂紋發展規律，利用裂縫寬度計測量典型裂縫寬度[14]。在跨中、加載點和支架上設置5個線性變差位移傳感器（LVDT），以記錄加載期間試件撓度變化程度。截面應力測試即在每個鋼束上分別安裝一個300kN的壓力傳感器，以測定它們應力增長和變化[15]。試驗梁承載力計算公式為：

F =2.5Pl" " " " " " " " " " " " " " " "（1）

式中，P表示加載的荷載；l表示試驗梁跨度。采用目前塑性法，可以較準確地預測出梁的極限抗彎承載力。

3" "試驗結果

3.1" " 裂縫觀測結果

在試驗期間，各個試驗梁均發生了彎曲破壞，尤其是中間橫梁的截面最先發生屈曲，最終形成了混凝土翼緣。3種梁裂縫觀測結果如圖5所示。

在加載初期，各試驗梁具有較好協同效應。當荷載增大時，鋼筋上翼緣和混凝土面板的界面會發生斷裂。在載荷持續增加的情況下，鋼梁的下翼緣開始發生屈曲，最后在跨中混凝土板上產生了明顯的損傷。

柱-鋼梁的具體破壞過程為：在載荷達到極限后，試驗梁與混凝土的接觸面自然粘結失效，翼緣變形，中間混凝土板的一面脫落，而梁端沒有明顯掀起。

預制拼接梁試件具體破壞過程為：在荷載作用下，試件與混凝土界面的天然結合發生了斷裂，并有少量的表面混凝土脫落。

纖維梁試件具體破壞過程為：當荷載加載到極限值時，鋼筋混凝土翼緣與鋼筋接觸面的天然結合處已被破壞，混凝土面板上出現了明顯裂紋，鋼梁下部翼緣出現屈服，鄰近的裂縫開始貫通，并伴隨著少量的混凝土脫落。

試驗梁均以中間翼緣混凝土板的斷裂為最終失效方式。試驗完成后，各試驗梁的鋼梁都發生了不同程度的損傷。由此可看出，柱-鋼梁裂縫在荷載加載到極限值時，梁端部只出現掀起現象，并沒有裂縫出現，說明使用該梁承壓能力強。

3.2" " 撓度測試結果

對于柱-鋼梁、預制拼接梁、纖維梁的撓度進行測試，對比結果如圖6所示。

從圖6可以看出，撓度測試結果可分為4個階段，第一階段為彈性階段，3種類型的梁曲線均為線性；第二階段為斷裂發育期，其曲線為弧形；第三階段為破壞期，受壓混凝土局部受壓，并呈現出急劇下降的趨勢；第四階段為損傷后，載荷迅速降低。

通過對比可以發現，柱-鋼梁構造對荷載撓度曲線影響較小，梁具有良好延展性，抗彎承載力最高可達到700kN，比預制拼接梁、纖維梁抗彎承載力分別高50kN、140kN。在破壞后階段，柱-鋼梁抗彎承載力下降到430kN，預制拼接梁抗彎承載力下降到350kN，纖維梁抗彎承載力下降到200kN。相較于預制拼接梁、纖維梁，柱-鋼梁抗彎承載力在此階段下降更加平緩。

3.3" " 截面應力測試結果

設施加梁截面的荷載為20kN、40kN、60kN、80kN、100kN，對于柱-鋼梁、預制拼接梁、纖維梁的截面應力測試，對比結果如圖7所示。

由圖7a可知，柱-鋼梁在整個加載過程中，不同加載下的柱-鋼梁應變曲線很接近，截面滑移動應變不明顯。由圖7b、7c可知，預制拼接梁、纖維梁在整個加載過程中，不同加載下的柱-鋼梁應變曲線差別較大，截面滑移動應變明顯。

3.4" " 承載力測試結果

在彈性階段，梁的承載力不能忽視，對于柱-鋼梁、預制拼接梁、纖維梁的承載力測試，對比結果如表1所示。

由表1可知，預制拼接梁、纖維梁的承載力均超過實際值，在實際抗彎過程中會出現被破壞現象，十分不安全。而柱-鋼梁比實際值小，能夠承載施加的壓力，說明使用該梁抗彎性能較好。

4" "結語

通過對三種梁的試驗過程及試驗結果對比，得到如下結論：通過梁裂縫測試結果可知，在荷載加載到極限值時梁端部只出現掀起現象，無裂縫出現。通過梁撓度測試結果可知，在彈性階段抗彎承載力最高可達到700kN，在破壞后階段抗彎承載力下降到430kN，且下降速度平緩。通過截面應力測試結果可知，不同加載下梁應變曲線接近，截面滑移動應變不明顯。通過承載力測試結果可知，不同梁跨度下梁承載力數值小于實際值，能夠承載施加的壓力，說明使用該梁抗彎性能較好。

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